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  <title>【转载】P2P通信原理及实现 | renhao</title>
  








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          <h1 class="post-title" itemprop="name headline">【转载】P2P通信原理及实现</h1>
        

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              <time title="创建于" itemprop="dateCreated datePublished" datetime="2019-07-23T15:40:57+08:00">
                2019-07-23
              </time>
            

            

            
          </span>

          
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                <span itemprop="about" itemscope="" itemtype="http://schema.org/Thing">
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                    <span itemprop="name">P2P</span>
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        <p><a href="https://evilpan.com/2015/10/31/p2p-over-middle-box/#%E4%B8%AD%E7%BB%A7relaying" target="_blank" rel="noopener">原文</a></p>
<p>P2P，peer to peer，内网主机（客户端）需要对另外的终端（peer）直接建立连接，但是由于互联网中的中间件如防火墙和NAT导致连个不在同一内网的客户端无法直接通信，这里讨论的主要是中间件为常见的NAPT的情况下，内网中的客户端都没有单独的公网IP，而是通过NAPT转换和同一内网用户共享一个公网IP，这样P2P通信时发起者和响应者可能在不同的中间件后，两者都没有公网IP地址，而外界对内网的请求到达NAT的时候都会被丢弃，这就是NAT墙。<a id="more"></a></p>
<h3 id="概念"><a href="#概念" class="headerlink" title="概念"></a>概念</h3><h4 id="防火墙（Firewall）"><a href="#防火墙（Firewall）" class="headerlink" title="防火墙（Firewall）"></a>防火墙（Firewall）</h4><p>防火墙主要限制内网和公网的通讯，通常丢弃未经许可的数据包。 防火墙会检测（但是不修改）试图进入内网数据包的IP地址和TCP/UDP端口信息。</p>
<h4 id="网络地址转换器（NAT）"><a href="#网络地址转换器（NAT）" class="headerlink" title="网络地址转换器（NAT）"></a>网络地址转换器（NAT）</h4><p>NAT不止检查进入数据包的头部，而且对其进行修改，从而实现同一内网中不同主机共用更少的公网IP（通常是一个）。</p>
<ul>
<li><p>基本NAT：基本NAT会将内网主机的IP地址映射为一个公网IP，不改变其TCP/UDP端口号。 基本NAT通常只有在当NAT有公网IP池的时候才有用。</p>
</li>
<li><p>网络地址-端口转换器（NAPT）：检测并修改出入数据包的IP地址和端口号，从而允许多个内网主机同时共享一个公网IP地址。</p>
</li>
<li><p>锥形NAT（Cone NAT）：在建立了一对（公网IP，公网端口）和（内网IP，内网端口）二元组的绑定之后，只要还有一个会话还是激活的，Cone NAT会重用这组绑定用于接下来该应用程序的所有会话（同一内网IP和端口）. 例如，假设客户端A建立了两个连续的对外会话，从相同的内部端点（10.0.0.1:1234）到两个不同的外部服务端S1和S2. Cone NAT只为两个会话映射了一个公网端点（155.99.25.11:62000）， 确保客户端端口的“身份”在地址转换的时候保持不变. 由于基本NAT和防火墙都不改变数据包的端口号，因此这些类型的中间件也可以看作是退化的Cone NAT.</p>
<pre><code>   Server S1                                     Server S2
18.181.0.31:1235                              138.76.29.7:1235
       |                                             |
       |                                             |
       +----------------------+----------------------+
                              |
  ^  Session 1 (A-S1)  ^      |      ^  Session 2 (A-S2)  ^
  |  18.181.0.31:1235  |      |      |  138.76.29.7:1235  |
  v 155.99.25.11:62000 v      |      v 155.99.25.11:62000 v
                              |
                           Cone NAT
                         155.99.25.11
                              |
  ^  Session 1 (A-S1)  ^      |      ^  Session 2 (A-S2)  ^
  |  18.181.0.31:1235  |      |      |  138.76.29.7:1235  |
  v   10.0.0.1:1234    v      |      v   10.0.0.1:1234    v
                              |
                           Client A
                        10.0.0.1:1234
</code></pre><p>Cone NAT根据NAT如何接收已经建立的（公网IP，公网端口）对的输入数据可以细分为：</p>
<ul>
<li>全锥形NAT（FULL Cone NAT）：在一个新会话建立了公网/内网端口绑定之后，全锥形NAT接下来会接受对应公网端口的所有数据,无论是来自哪个（公网）终端。全锥NAT有时候也被称为“混杂”NAT（promiscuous NAT）。</li>
<li>受限锥形NAT（Restricted Cone NAT）：受限锥形NAT只会转发符合某个条件的输入数据包，条件为：外部（源）IP地址匹配内网主机之前发送一个或多个数据包的结点的IP地址。NAT通过限制输入数据包为一组“已知的”外部IP地址，有效地精简了防火墙的规则。</li>
<li>端口受限锥形NAT（Port-Restricted Cone NAT）：只当外部数据包的IP地址和端口号都匹配内网主机发送过的地址和端口号时才进行转发。端口受限锥形NAT为内部结点提供了和对称NAT相同等级的保护，以隔离未关联的数据。</li>
</ul>
</li>
<li><p>对称NAT（Symmetric NAT）：对称NAT正好相反，不在所有公网-内网对的会话中维持一个固定的端口绑定。其为每个新的会话开辟一个新的端口。</p>
<pre><code>   Server S1                                     Server S2
18.181.0.31:1235                              138.76.29.7:1235
       |                                             |
       |                                             |
       +----------------------+----------------------+
                              |
  ^  Session 1 (A-S1)  ^      |      ^  Session 2 (A-S2)  ^
  |  18.181.0.31:1235  |      |      |  138.76.29.7:1235  |
  v 155.99.25.11:62000 v      |      v 155.99.25.11:62001 v
                              |
                         Symmetric NAT
                         155.99.25.11
                              |
  ^  Session 1 (A-S1)  ^      |      ^  Session 2 (A-S2)  ^
  |  18.181.0.31:1235  |      |      |  138.76.29.7:1235  |
  v   10.0.0.1:1234    v      |      v   10.0.0.1:1234    v
                              |
                           Client A
                        10.0.0.1:1234
</code></pre></li>
</ul>
<h3 id="P2P通信技术"><a href="#P2P通信技术" class="headerlink" title="P2P通信技术"></a>P2P通信技术</h3><p>现有穿越中间件进行P2P通信的方法：</p>
<h4 id="中继（Relaying）"><a href="#中继（Relaying）" class="headerlink" title="中继（Relaying）"></a>中继（Relaying）</h4><p>最可靠、最低效。通过一个有公网IP的服务器中间人对两个内网客户端的数据通信进行中继和转发。</p>
<pre><code>                       Server S
                          |
                          |
   +----------------------+----------------------+
   |                                             |
 NAT A                                         NAT B
   |                                             |
   |                                             |
Client A                                      Client B
</code></pre><p>缺陷：当连接的客户端变多之后，会显著增加服务器的负担，没有体现P2P的优势；</p>
<h4 id="逆向连接（Connection-reversal）"><a href="#逆向连接（Connection-reversal）" class="headerlink" title="逆向连接（Connection reversal）"></a>逆向连接（Connection reversal）</h4><p>只有当两个端点中有一个不存在中间件时有效。</p>
<pre><code>                            Server S
                        18.181.0.31:1235
                               |
                               |
        +----------------------+----------------------+
        |                                             |
      NAT A                                           |
155.99.25.11:62000                                    |
        |                                             |
        |                                             |
     Client A                                      Client B
  10.0.0.1:1234                               138.76.29.7:1234　
</code></pre><p>客户端A内网地址为10.0.0.1，且应用程序正在使用TCP端口1234，A和服务器S建立了一个链接，服务器的IP地址为18.181.0.31，监听1235端口。NAT A给客户端A分配了TCP端口62000,地址为NAT的公网IP地址155.99.25.11， 作为客户端A对外当前会话的临时IP和端口。因此S认为客户端A就是155.99.25.11:62000。 而B由于有公网地址，所以对S来说B就是138.76.29.7:1234。</p>
<p>当客户端B想要发起一个对客户端A的P2P链接时，要么链接A的外网地址155.99.25.11:62000，要么链接A的内网地址10.0.0.1:1234，然而两种方式链接都会失败。 链接10.0.0.1:1234失败自不用说，为什么链接155.99.25.11:62000也会失败呢？来自B的TCP SYN握手请求到达NAT A的时候会被拒绝，因为对NAT A来说只有外出的链接才是允许的。 在直接链接A失败之后，B可以通过S向A中继一个链接请求，从而从A方向“逆向“地建立起A-B之间的点对点链接。</p>
<h4 id="UDP打洞（UDP-hole-punching）"><a href="#UDP打洞（UDP-hole-punching）" class="headerlink" title="UDP打洞（UDP hole punching）"></a>UDP打洞（UDP hole punching）</h4><p>打洞技术依赖于防火墙和Cone NAT通常允许正当的P2P应用程序在中间件中打洞且与对方建立直接链路的特性。简单的将就是如果A和B要进行通信，那么得事先A发一条信息给B，B发一条信息给A。这样提前在各自的NAT上打了对方的洞，这样下一次A和B之间就可以进行通信了。</p>
<p>UDP打洞技术有一个主要的条件：只有当两个NAT都是Cone NAT（或者非NAT的防火墙）时才能工作，因为其维持了一个给定的（内网IP，内网UDP）二元组和（公网IP，公网UDP）二元组固定的端口绑定，只要该UDP端口还在使用中就不会变化。如果是对称NAT，给每个新会话分配一个新的公网端口，就会导致UDP应用程序无法使用跟外部断点已经打通的通信链路。</p>
<ul>
<li><p>两个客户端在不同的NAT之后</p>
<p>客户端A和客户端B的地址都是内网地址，且在不同的NAT后面。</p>
<pre><code>
                            Server S
                        18.181.0.31:1234
                               |
                               |
        +----------------------+----------------------+
        |                                             |
      NAT A                                         NAT B
155.99.25.11:62000                            138.76.29.7:31000
        |                                             |
        |                                             |
     Client A                                      Client B
  10.0.0.1:1234                                 10.1.1.3:1234
</code></pre><p>A、B上运行的P2P应用程序和服务器S都使用了UDP端口1234，A和B分别初始化了与server的UDP通信。现在客户端A需要和客户端B直接建立一个UDP通信会话，如果A直接给B的公网地址<code>138.76.29.7:31000</code>发送UDP数据，NAT B很可能会无视进入的数据（除非B是Full Cone NAT），因为B最初只与S建立过会话，而此时源地址和端口与S不匹配，同理B往A直接发送信息也类似。但是如果A开始给B的公网地址发送UDP数据的同时给服务器S发送一个中继请求，要求B开始给A的公网地址发送UDP信息。A往B的请求会导致NAT A打开一个A的内网地址与B的外网地址之间的会话，B往A也会在NAT B打开一个会话，这样新的UDP会话就在两个方向都打开了，客户端A和客户端B就可以直接通讯而无需再通过引导服务器S。</p>
</li>
<li><p>两个客户端在相同的NAT之后</p>
<p>客户端A、B正好在同一个NAT之后（可能他们自己并不知道），因此在同一个内网网段之内。</p>
<pre><code>                          Server S
                      18.181.0.31:1234
                             |
                             |
                            NAT
                   A-S 155.99.25.11:62000
                   B-S 155.99.25.11:62001
                             |
      +----------------------+----------------------+
      |                                             |
   Client A                                      Client B
10.0.0.1:1234                                 10.1.1.3:1234
</code></pre><p>客户端A和B分别都与服务器S建立了一个UDP会话，NAT为此分配了公网端口62000、62001。如果A、B使用UDP打洞技术来建立P2P通路，A和B都会得到由S观测到的对方的公网IP和端口号，然后给对方的地址发送信息。但是从内部到达NAT的数据会被“回送”到内网中而不是转发到外网，即“回环传输”，只有在NAT允许内网主机对内网其他主机发送UDP会话的情况下两个主机才能正常通信。当A发送一个UDP数据包给B的公网地址时，NAT会将其转化为A的公网地址发送给B的内网地址转发给B（即支持回环传输），这种转换和转发是不必要的，可能增加A与B的对话延时并且加重NAT的负担。</p>
<p>对于这个情况，优化方案是很直观的。当A和B最初通过S交换地址信息时，他们应该包含自身的IP地址和端口号（从自己看），同时也包含从服务器看的自己的地址和端口号。 然后客户端同时开始从对方已知的两个的地址中同时开始互相发送数据，并使用第一个成功通信的地址作为对方地址。如果两个客户端在同一个 NAT后，发送到对方内网地址的数据最有可能先到达，从而可以建立一条不经过NAT的通信链路；如果两个客户端在不同的NAT之后，发送给对方内网地址的数据包根本就到达不了对方，但仍然可以通过公网地址来建立通路。值得一提的是，虽然这些数据包通过某种方式验证，但是在不同NAT的情况下完全有可能会导致A往B 发送的信息发送到其他A内网网段中无关的结点上去的。</p>
</li>
<li><p>两个客户端在多级NAT之后</p>
<p>在一些拓扑结构中，可能会存在多级NAT设备，比如说校园网自己分配到的IP应该是内网IP，如果我们在寝室再接个路由器，那么我们发出的数据包会多经过一个NAT。</p>
<pre><code>                            Server S
                        18.181.0.31:1234
                               |
                               |
                             NAT X
                     A-S 155.99.25.11:62000
                     B-S 155.99.25.11:62001
                               |
                               |
        +----------------------+----------------------+
        |                                             |
      NAT A                                         NAT B
192.168.1.1:30000                             192.168.1.2:31000
        |                                             |
        |                                             |
     Client A                                      Client B
  10.0.0.1:1234                                 10.1.1.3:1234
</code></pre><p>假设NAT X是一个网络提供商ISP部署的工业级NAT，其下子网共用一个公网地址155.99.25.11，NAT A和NAT B分别是其下不同用户的网关部署的NAT。只有服务器S和NAT X有全局的路由地址。客户端A在NAT A的子网中，客户端B在NAT B的子网中，每经过一级NAT都要进行一次网络地址转换。</p>
<p>现在A和B要建立P2P连接，用一般的方法（通过Server S打洞）可以实现。一种想当然的优化方法是A直接把信息发送给NAT B的内网地址192.168.1.2:31000，且B通过NAT B把信息发送给A的路由地址192.168.1.1:30000，但A和B都没有方法知道这两个目的地址，因为S只看见了客户端的全局地址155.99.25.11。即使A和B通过某种方法得知了目的地址，也无法保证是否可用，因为ISP分配的子网地址可能和NAT A、NAT B分配的子网地址域相冲突，所以A、B只能使用S打洞。</p>
</li>
</ul>
<h4 id="TCP打洞（TCP-hole-punching）"><a href="#TCP打洞（TCP-hole-punching）" class="headerlink" title="TCP打洞（TCP hole punching）"></a>TCP打洞（TCP hole punching）</h4><p>TCP是基于连接的，所有未经连接而发送的数据都会被丢弃，这导致在recv的时候是无法直接从peer端读取数据。所以进行TCP打洞通常需要重用本地的endpoint发起新的TCP连接，这样才能将已经打开的NAT利用起来。一般来说TCP打洞的步骤如下：</p>
<ul>
<li>A发送SYN到B（出口地址），从而创建NAT A的一组映射</li>
<li>B发送SYN到A，创建NAT B的一组映射</li>
<li>根据时序不同，两个SYN中有一个会被对方的NAT丢弃，另一个成功通过NAT</li>
<li>通过NAT的SYN报文被其中一方收到，即返回SYNACK，完成握手</li>
<li>TCP打洞成功，获得一个不依赖与服务器的链接</li>
</ul>
<blockquote>
<p>由于TCP连接是由操作系统控制而不是由应用直接控制，而且TCP包的序列号是随机生成，所以TCP打洞的成功率就相对较低。因此如果NAT对接收到的包进行TCP序列号检测时若没有现有的连接可以对应，该TCP包很可能会被NAT丢弃掉。</p>
</blockquote>

      
    </div>
    
    
    

    

    

    

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                <i class="fa fa-chevron-left"></i> vue中的路由原理
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            文章目录
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              <p class="site-author-name" itemprop="name">renhao</p>
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  <span class="author" itemprop="copyrightHolder">renhao</span>

  
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